Kryptografische Schlüssel mithilfe von Quantentechnologien Was ist Quantum Key Distribution (QKD)?

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Sobald Quantencomputer stark genug werden, ist keine konventionelle Verschlüsselung mehr sicher vor ihnen. Um dem vorzubeugen, sollen auch die Eigenschaften der Quantenmechanik selbst sorgen, um den Austausch zwischen Kommunikationspartnern zu sichern Ein solches Verfahren nennt sich Quantum Key Distribution (QKD).

Der sichere Datenverkehr beruht auf effektiver Verschlüsselung. Deshalb werden die Schlüssellängen klassischer Verfahren immer mehr verlängert. Weil das aber nicht ausreicht, sobald die Überlegenheit von Quantenrechnern über andere Rechner endgültig erreicht ist (Quantum Supremacy), sucht man schon seit geraumer Zeit nach alternativen Technologien für diesen Zweck.

Denn ohne sie, sind die Akteure, die über leistungsfähige Quantensysteme verfügen, irgendwann überlegen über alle anderen (siehe: Digital Divide). Das kann zu Krisen in sicherheitspolitischer, wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Couleur jeder Art führen.

Physische Grundlagen der Quantum Key Distribution

Quantum Key Distribution (QKD) oder Quantenschlüsselaustausch ist das sicherste Verfahren. Die Schlüssel basieren darauf, dass ein Sender und ein Empfänger mit hochpräziser Technologie quantenkohärente Signale erzeugen.

So werden etwa Schlüsselbits in den Polarisationszuständen von Photonen codiert. Im Endeffekt verändert ein Abhörversuch zwangsläufig diese Quantenzustände (Stichwort: Unschärferelation und No-Cloning-Theorem) und Absender sowie Empfänger können sofort erkennen, ob jemand mithört.

Diese Kohärenz ist ein vom Erwin Schrödinger entdecktes quantenmechanisches Phänomen, das in seiner Erscheinung einer elektromagnetischen Welle eines ähnelt, aber eben nicht elektrisch, sondern quantenmechanisch hervorgerufen wird. Diese Kohärenz lässt sich als eine Wahrscheinlichkeitsverteilung (Poisson-Verteilung) beschreiben.

Umrüstung der Netze für QKD nötig

Bei der QKD wird beiden Parteien einer Kommunikation eine geheime Zufallszahl zugestellt. Sie dient als geheimer Schlüssel eines symmetrischen Verschlüsselungsverfahrens. Da übliche Sendeverstärker zumindest in Glasfasernetzen zu den nötigen quantenmechanischen Operationen nicht imstande sind, ist für QKD flächendeckend neue Hardware erforderlich.

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Benötigt werden beispielsweise Photonenquellen, die einzelne Photonen erzeugen können. Allerdings gibt es bereits FIrmen, die an der Kommerzialisierung der Technologie arbeiten, aktuell in Pilotprojekten von Telekommunikationsanbietern und im Rahmen der EU-Initiative EuroQCI (European Quantum Communication Infrastructure).

Protokolle und Varianten von Quantum Key Distribution

Es gibt mehrere Varianten des Quantenschlüsselaustauschs. Am bekanntesten sind das BB84-Protokoll und das Ekert-Verfahren.

Bei BB84 spricht man auch von Discrete Value-QKD (DV-QKD). Hier werden einzelne Photonen versendet, die sich aus physikalischen Gründen nicht kopieren lassen.

Das Ekert-Verfahren (Continuous Variable-QKD) verwendet verschränkte Zustände. Sie werden bei externen Zugriffen sofort gestört, weshalb Angreifer auf eine solche Verbindung nicht zugreifen können, ohne sofort erkannt zu werden.

Technische Umsetzbarkeit des Quantenschlüsselaustauschs

Technisch ist QKD heute darstellbar. So wurde bereits 2004 eine erste QKD-basierte Übertragung in Wien durchgeführt. Bereits 2023 hat allerdings das BSI eine Literaturstudie anhand rund 300 wissenschaftlicher Veröffentlichungen zu möglichen Angriffen in der Implementierungsphase auf QKD-Systeme veröffentlicht, die belegte, dass diese möglich sind, aber auch durch Gegenmaßnahmen verhindert werden können.

Es gibt in Deutschland bereits einige Akteure, die sich damit befassen, praktisch einsetzbare QKD-Systeme zu entwickeln oder zu implementieren. Zu diesen gehören die Universität der Bundeswehr in München, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Airbus und ESA (European Space Agency).

Startups und Projekte für QKD

Mehrere Startups befassen sich mit Quantum Key Distribution. Beispiele sind Keequant aus Fürth oder Mo-Space aus Berlin. Es kann schon heute Informationen über QKD sicher an Satelliten transportieren. Pixel Photonics arbeitet an der Kommerzialisierung von Einzelphotonendetektoren. Quantum Optics Jena arbeitet mit Swisscom an QKD-Lösungen.

Die Qunet-Initiative versucht ein bundesweites sicheres QKD-Netzwerk aufzubauen. In und um München soll ein QKD-Netz mit zehn Knoten und damit eines der größten QKD-Testbeds in Deutschland entstehen. QuKomin versucht ähnliches für den Raum Nürnberg/Erlangen und für München/Pfaffenhofen.

Alternativen

Doch QKD ist zwar die sicherste aber nicht die einzige Möglichkeit, Übertragungen quantensicher zu machen. Daneben gibt es als Alternative: PQC (Post Quantum Cryptography).

2023 hat Jürgen Höfling bereits schon einmal das Prinzip QKD beschrieben: Verschlüsselung für das Quantenrechner-Zeitalter; Was macht Quantum Key Distribution (QKD)?

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